低功耗土壤濕度控制儀設計

孟 強，徐 慧，施山菁

（南京林業大學信息科學技術學院，江蘇南京 210037）

0 引言

現代社會中由于環境污染、人為破壞，許多地方面臨著嚴峻的用水問題。農業是第一用水大戶，目前，農業用水有效程度依然很低，在現代農業和生態研究中，對土壤濕度的監測與控制已經成為一項基礎工作，合理的灌溉有利于作物的生長，同時也是對水資源的一種高效利用。基于上述因素，本文設計出一種能夠實時監測土壤濕度，并通過外部執行單元控制灌溉土壤，調節土壤濕度，同時依據監測的土壤實時濕度及時反饋，控制執行單元的工作，從而達到控制土壤濕度的目的。

在超低功耗方面，處理器 MSP430功耗（l．8～3．6 V，0．1 μA/Power-down，0．5A/Standby，250A/MIPS）和口線輸人漏電流（最大50 nA）在業界都是最低的，遠遠低于其他系列產品［1］。

為了滿足使用方便的要求，USB接口成為智能儀表的重要部分。多以8/16位單片機為核心，其USB接口設計的過程多是先根據所使用的8/16位單片機，選擇合適的USB接口芯片;其次，編寫單片機的固件程序;最后，編寫USB接口的驅動程序，實現智能儀器和PC機間的高速通信［2］。

1 土壤水分測量原理

系統采用基于頻域反射（frequency domain reflectometry，FDR）技術的MP406系列高精度土壤水分傳感器，具有分辨率高、線性度好、維護簡單、不破壞土層的優點。土壤水分傳感器如圖1所示。FDR原理［1，2］是利用電磁脈沖原理，根據電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤的表觀介電常數，從而得到土壤容積含水量θv。FDR的探頭稱為介電傳感器（dielectric sensor），主要由一對電極（平行排列的金屬棒或圓形金屬環）組成一個電容器，其間的土壤充當電介質，電容器與LC振蕩器組成一個調諧電路。

圖1 MP406系列高精度土壤水分傳感器Fig 1 MP406 series high-precision soil moisture sensor

FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率（此時振幅最大），不斷調整信號電源的頻率，使得振蕩電路的諧振條件成立，傳輸線上出現頻率相同而傳播方向相反的2列相干波疊加，呈行駐波狀態，此時，U0的最大值:U0=α（1－ρ），相似地在傳輸線和傳感器結合部的峰值電壓:Us=α（1+ρ），2個峰值電壓的差值:ΔU=Us－U0=2αρ，其中，α為振蕩器輸出的電壓振幅，ρ為反射系數。由于諧振電路中電容器的電介質為土壤，土壤的水分變化反映在電容C的變化上。此時的信號頻率即為諧振電路的固有頻率。由于諧振產生的條件為

通過電容與介電常數的關系ε=C/C0，可以求得土壤的相對介電常數，其中，C0為介質為空氣時的電容。研究證實土壤介電常數ε與土壤水分含量θv之間具有線性關系為

其中，a，b均為常數，由土壤的類型決定。

2 系統總體設計方案與功能

本文介紹的土壤濕度控制儀主要由前端數據采集部分、控制單元和灌溉執行單元組成，設計框圖如圖2。

圖2 系統總體設計框圖Fig 2 Block diagram of system overall design

土壤水分傳感器分布于監測區域中，用于采集土壤實時濕度。控制單元以F155單片機為核心，充分利用其片上集成的豐富資源進行硬件電路設計［3～5］。灌溉執行單元設計為繼電器控制執行部件的工作狀態。由系統的總體框圖設計了儀器的主要功能如圖3。

3 系統硬件設計

系統由DS1302提供時間信息，通過簡單的三線同步串行方式與單片機進行通信，時鐘模塊配置備用電池，保證時鐘走時精準。儀器用液晶顯示屏直觀地顯示出時間信息、土壤濕度值以及系統工作狀態。整個系統還包括數據存儲模塊、USB通信模塊以及電源模塊。

圖3 土壤濕度控制儀的主要功能Fig 3 Main function of soil moisture control apparatus

3．1 前端采集模塊

系統對傳感器輸出的模擬電壓信號進行采樣，為保證信號的穩定性，加入信號調理電路。采樣信號通過MSP430F155單片機片內A/D轉換模塊轉換成數字信號，根據公式將得到的濕度信號換成0%～100%RH范圍內變化的相對濕度值，這樣設計不增加復雜硬件電路，簡化系統電路設計，而且，MSP430單片機的A/D轉換模塊具有12位精度，測量結果可以達到較高的精度，提高了系統的可靠性。

3．2 數據存儲模塊

數據的存儲采用32 kB串行E2PROM存儲芯片AT24C256，用來存儲不同時間段土壤濕度上下限值，土壤實時濕度值也將定時存儲以作分析等用途。根據存儲的時間間隔的不同，可存儲的濕度數據量也不同，若每隔30 min存儲一組濕度數據，則可存儲約16000組濕度數據。

該芯片讀寫方式為I2C總線讀寫，MSP430F155內部集成1個硬件I2C控制單元，其速度可支持到400 kbps（快速模式）。硬件I2C接口相較于傳統的用軟件模擬I2C接口，其程序精簡，傳輸速度快，故障處理易于實現。

3．3 USB通信模塊的設計

通信部分選用CH376S接口芯片，實現系統對U盤文件的讀寫。該芯片支持Host主機方式和Slave設備方式，其內部集成了8位被動并行接口、異步串行接口、SPI設備接口、USB通信協議的基本固件、FAT文件系統管理固件、處理Mass-Storage海量存儲設備的專用通信協議的固件，支持常用的USB存儲設備［6］。硬件原理圖如圖4所示。

圖4 USB通信模塊電路圖Fig 4 USB communication module circuit diagram

CH376采用USB-Host方式實現對系統存儲模塊AT24C256芯片中濕度數據、采集時間等信息的提取，并以TXT文件格式存儲到U盤里，脫離了依賴電腦采集和提取數據的約束性，降低了通信的復雜度。CH376具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及并口地址輸入。考慮到主控芯片MSP430F155的工作電壓是+3．3V，因此，CH376芯片采用+3．3 V電壓供電，但是供U盤插入的USB通信接口必須采用+5 V電源供電。

4 系統軟件設計

系統軟件采用TI公司430單片機軟件開發工具IAR Embedded Workbench為平臺，由C語言編寫，通過JTAG接口燒入MSP430單片機，然后進行實際運行。

4．1 整體程序流程

為實現低功耗要求，系統設置休眠模式。當用戶不操作系統超過15 s時，系統進入休眠模式，此時MSP430處于低功耗狀態，每隔30 s系統退出休眠模式，進行土壤濕度的監測與控制，此后再次進入休眠模式，當用戶操作系統時也會自動退出休眠模式。系統在上電和復位時要先執行初始化，LCD顯示屏顯示開機畫面，軟件判斷是否是首次開機，首次開機需手動完成參數設置，系統自動存儲初始工作狀態。系統非首次啟動，則自動調用已存儲的工作狀態。主程序流程框架圖如圖5所示。

系統主程序實現的功能主要有按鍵處理功能、執行單元控制功能以及系統數據存儲和USB通信功能。系統有按鍵按下時進入按鍵處理子程序，進行時鐘設置，植物生長周期設置并設置不同生長時期的土壤濕度上下限值，實現植物生長不同時期對土壤濕度值不同要求的人性化理念;當檢測到土壤濕度值小于所設定的下限值時，輸出控制部分分別輸出打開電磁閥和水泵的控制信號，為防止水管壓力過大，兩信號輸出設置5 s的間隔時間;若檢測到土壤濕度值大于所設定的上限值時，輸出控制部分分別間隔輸出關閉水泵和電磁閥的控制信號。有U盤插入系統時，E2PROM中存儲的采集時間和濕度信息被自動寫入U盤中，寫入完成后依據顯示屏上的提示拔去U盤，此時系統將自動清除E2PROM存儲的部分信息，恢復初始存儲空間狀態。

圖5 主程序流程圖Fig 5 Main program flow chart

4．2 USB 通信模塊

USB總線通用接口芯片CH376具有省事的內置固件和靈活的外置固件2種模式，在內置固件模式下不需要本地端（智能儀表）的微控制器作任何處理，從而簡化了微處理器的固件編程，為快速開發產品提供了保證，因此，CH376用于智能儀表的通信接口，是低成本且高效的解決途徑。CH376芯片可以自動檢測USB設備的連接和斷開，提供設備連接和斷開的事件通知。U盤通信部分的流程圖如圖6所示。

圖6 USB通信流程圖Fig 6 USB communication flow chart

5 抗干擾設計

工作現場的環境復雜，各種干擾通過不同的耦合方式進入到測試系統中，而且濕度傳感器輸出信號較小，這些干擾有可能使系統誤差加大，程序運行失常。因此，在進行智能儀表可靠性設計時，要特別重視抗干擾設計。

5．1 硬件抗干擾

系統的干擾很大一部分是從電源進入的，電網電壓的波動、尖脈沖干擾、瞬間斷電等能對系統的工作造成干擾。因此，需考慮電源凈化問題，系統在開關電源前增加電源濾波模塊，以濾去電網中各種大功率設備產生的尖峰脈沖干擾，盡可能得到“純凈”的電源。

在設計電路板方面，晶振和單片機的連線要短;模擬地和數字地要分開;電源線和地線要做加粗處理;PCB下方也要進行覆銅，使電源和信號傳輸穩定。

5．2 軟件抗干擾

通過軟件濾波的方法可以進一步降低噪聲。軟件設計在濕度傳感器輸出信號的A/D轉換中，采用了限幅濾波和均值濾波，取得了較好的效果。

限幅濾波即對數據最大、最小范圍進行限定，超過這個范圍的數據被認為是錯誤的數據，并且此次數據由前一次數據代替。均值濾波則是采集16個數據求出平均值，用這種方法降低了隨機噪聲，提高了數據采集的穩定性。

6 測試結果分析

在實驗基地內，儀器運行情況穩定，液晶屏可以觀測到當前土壤相對濕度值，儀器面板上的按鍵可以設置系統參數、修改時鐘時間，各部分均能正常工作。

表1為土壤相對濕度測試值與實際值的比較，測試結果表明:系統絕對誤差為±2%RH，精度較為理想。誤差的產生主要在于傳感器在制造時由于工藝限制導致的一定誤差，儀器標定時也可能產生人為誤差。

表1 土壤相對濕度測試結果Tab 1 Test results of soil relative humidity

儀器自動工作一段時間后，用U盤提取存儲的濕度數據，經分析后得出儀器整體工作情況，圖7所示為7 d的濕度數據曲線。

圖7 土壤相對濕度變化Fig 7 Change of soil relative humidity

圖中虛線分別表示當時儀器設定的土壤相對濕度上下限值，由曲線可看出:土壤相對濕度值保持在限值內，儀器工作穩定，執行部件等均能正常工作。

7 結束語

本文介紹了以低功耗MSP430單片機為主控單元的土壤濕度控制系統。經過模塊化的電路測試、軟件調試和系統組裝證明:該系統可以準確測量土壤濕度，絕對誤差為±2%RH，精度較為理想。正確控制執行部件工作，能使土壤濕度保持在要求的范圍內。系統可以將采集的數據通過USB接口傳到PC機上處理，在實際應用中能夠獨立工作，脫離了PC機的約束，具有較高的實用價值。

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